CN105366658A - 废弃塑料碳化制备超级电容器用多孔碳的方法 - Google Patents

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曹殿学
欧阳田
孔淑颖
叶克
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Abstract

本发明提供的是一种废弃塑料碳化制备超级电容器用多孔碳的方法。将废弃塑料与等比例共融的无机盐混合，得产物A；将产物A置入管式炉中，高温煅烧，用蒸馏水清洗去除无机盐，得最终产物废弃塑料基多孔碳。本发明以废弃塑料为原材料，通过熔融盐辅助的方法一步得到多孔石墨化碳，与常规高温碳化相比，采用熔融盐辅助碳化能够在碳化过程中能够同步实现活化开孔的目的，因而可以合成具有比较好的孔径分布、比表面大的碳材料，从而使材料在高电流密度下仍有很好的能量存储和释放能力。本发明工艺简单、废物利用、绿色环保、易于工业化、成本低廉、产品性能稳定。

Description

废弃塑料碳化制备超级电容器用多孔碳的方法
技术领域
本发明涉及的是一种多孔碳的制备方法，具体地说是一种超级电容器多孔碳的制备方法。
背景技术
超级电容器作为一种新型的能量存储转化装置，集高功率密度、长循环寿命、可以快速充放电及绿色环保等众优点于一身，拥有非常广泛的应用领域。电极材料作为核心部件之一对超级电容器的性能具有重要的影响。超级电容器电极材料的研究主要包括碳材料、过渡金属氧(硫)化物/氢氧化物以及导电聚合物等。其中，碳材料由于具有比表面积大、导电性好、价格低廉和循环寿命长等优点，使其成为目前超级电容器电极材料领域研究最为广泛，最为活跃的研究方向之一。
自1907年“高分子之父”贝克兰使酚醛树脂实现工业化生产以来，各种合成塑料大量涌现，如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯甲酸乙二酯(PET)、聚苯乙烯(PS)等，由于其具有质量轻、耐腐蚀、价格低廉、绝缘隔热、易加工成型等优异特性，使得塑料制品得到了广泛应用，给人类的生产生活带来了巨大变化，然而当这些产品的寿命或使用目的达到后，就会被丢弃而成为废弃塑料，不仅严重影响环境和市容卫生，造成“视觉污染”，而且由于废弃塑料占用体积大且短时间内很难在自然条件下分解，容易造成长期的、深层次的生态环境问题。从可持续发展的角度来说，废弃塑料本身来自于宝贵的石油资源，具有较高的能量和化学价值，因此对废弃塑料进行回收再利用，将会大大节约能源和材料，缓解社会的生态和能源压力。
废弃塑料的主体成分是碳原子，作为一种理想的碳源，其完全可以用来制备出更高价值的碳基材料，但由于直接碳化废弃塑料并不具备足够多的微孔，对电容性能起到作用的表面积受到限制，并且成分仍然主要是无定形碳，导电性较差，使得其在大电流密度下的电荷传递受到制约，因此需要经过后续的活化开孔步骤。如，唐涛等(JournalofMaterialsChemistryA,2015,3,341)利用废弃塑料混合物(PP、PE和PS)与有机物改性的蒙脱土(OMMT)共同作用，经过高温碳化和后续KOH活化之后，最终得到了比表面积为2315m2·g-1同时具有3.319cm3·g-1的超大孔容的多孔纳米片状的碳材料；Kartel等(Carbon,2006,44,101)将PET用硫酸在65～70℃热处理后蒸汽活化，制备比表面积1030m2·g-1有效孔径1.8nm的活性炭，然而这种预先高温煅烧加后续活化开孔的方式制备工艺相对繁琐。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以合成具有比较好的孔径分布、较大的比表面积、良好的导电性的石墨化多孔碳的废弃塑料碳化制备超级电容器用多孔碳的方法。
本发明的目的是这样实现的：
将废弃塑料与等比例共融的无机盐混合，得产物A；
将产物A置入管式炉中，高温煅烧，用蒸馏水清洗去除无机盐，得最终产物废弃塑料基多孔碳。
本发明还可以包括：
1、所述废弃塑料为烯烃类或芳香烃类。
2、所述的熔融盐为LiCl和KCl的混合物、LiF和NaF和KF的混合物、KCl和ZnCl2的混合物或者是LiNO3和KNO3的混合物。
3、所述LiCl和KCl的混合物中LiCl和KCl的质量比为59/41；所述LiF和NaF和KF的混合物中LiF、NaF、KF的质量比为46.5/11.5/42；所述KCl和ZnCl2的混合物中KCl和ZnCl2的质量比为48/52；所述LiNO3和KNO3的混合物中LiNO3和KNO3的质量比为43/57。
4、废弃塑料与熔融盐的质量比为1:1～1:10。
5、所述高温煅烧为真空或惰性气氛下煅烧10～180分钟，煅烧温度为600～1100℃。
本发明中所用的废弃塑料为任意一种或几种目前常见类型的塑料，如烯烃类(PE、PP)或芳香烃类(PS、PET)。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明采用废弃塑料为原料，通过熔融盐辅助的方法一步得到多孔石墨化碳，与常规高温碳化相比，采用熔融盐辅助碳化能够在碳化过程中能够同步实现活化开孔的目的，因而可以合成具有比较好的孔径分布。
(2)本发明制得的石墨化多孔碳具有较大的比表面积，良好的导电性，因此在高电流密度下仍有强的能量存储和释放能力。
(3)本明步骤简单，成本低，容易操作，反应物纯度高，具有较好的应用前景。
附图说明
图1a-图1b为实施例1得到的多孔碳材料的SEM图。
图2a-图2b实施例1得到的多孔碳材料的TEM图。
图3为实施例1得到多孔碳材料的吸脱附曲线。
图4为实施例1得到多孔碳材料在不同放电电流密度下的充放电曲线。
具体实施方式
通过本发明的实施，最终得到了比表面积在780～1500m2.g-1的废弃塑料基碳材料，其超级电容器性能测试显示，1A.g-1放电电流密度下，比容量为可以达到约200F.g-1，10A.g-1时电容仍可以达到月100F.g-1。下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
称取1g的PE废弃塑料条，与5g的LiCl/KCl的盐(LiCl和KCl的质量比为59/41)混合均匀后，置入管式炉中，Ar气氛下，以5℃·min-1的升温速率升至750℃，恒温60min，冷却后用蒸馏水清洗去除熔盐，离心干燥备用。
利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、氮气吸脱附分析对所制备的多孔碳材料进行理化性质表征，结果见图1a-图1b、图2a-图2b和图3，对所制备的废弃塑料基多孔碳材料进行超级电容器测试，结果见图4。
图1a-图1b和图2a-图2b显示，所制备的废弃塑料基碳材料为褶皱片状且存在大量孔隙，图3显示所得废弃塑料基碳材料的比表面积为902m2.g-1，图4显示，对其进行在不同放电电流密度下的充放电测试，0.5A·g-1放电电流密度下，比容量为255F.g-1，10A.g-1时电容仍保持为187F.g-1。
实施例2
称取1g的PE废弃塑料条，与5g的LiF/NaF//KF的盐(LiF/NaF/KF的质量比为46.5/11.5/42)混合均匀后，置入管式炉中，Ar气氛下，以5℃.min-1的升温速率升至850℃，恒温60min，冷却后用蒸馏水清洗去除熔盐，离心干燥备用。
氮气吸脱附分析所制备的废弃塑料基碳材料的比表面积为1510m2.g-1，超级电容器性能测试显示，0.5A.g-1放电电流密度下，比容量为285F.g-1，10A·g-1时电容仍保持为220F.g-1。
实施例3
称取1g的PE和PS废弃塑料条，与10g的LiCl/KCl的盐(LiCl/KCl的质量比为59/41)混合均匀后，置入管式炉中，Ar气氛下，以5℃.min-1的升温速率升至750℃，恒温60min，冷却后用蒸馏水清洗去除熔盐，离心干燥备用。
氮气吸脱附分析所制备的废弃塑料基碳材料的比表面积为780m2.g-1，超级电容器性能测试显示，0.5A.g-1放电电流密度下，比容量为205F.g-1，10A.g-1时电容仍保持为107F.g-1。

Claims (10)

1.一种废弃塑料碳化制备超级电容器用多孔碳的方法，其特征是：
将废弃塑料与等比例共融的无机盐混合，得产物A；
将产物A置入管式炉中，高温煅烧，用蒸馏水清洗去除无机盐，得最终产物废弃塑料基多孔碳。
2.根据权利要求1所述的废弃塑料碳化制备超级电容器用多孔碳的方法，其特征是：所述的熔融盐为LiCl和KCl的混合物、LiF和NaF和KF的混合物、KCl和ZnCl2的混合物或者是LiNO3和KNO3的混合物。
3.根据权利要求2所述的废弃塑料碳化制备超级电容器用多孔碳的方法，其特征是：所述LiCl和KCl的混合物中LiCl和KCl的质量比为59/41；所述LiF和NaF和KF的混合物中LiF、NaF、KF的质量比为46.5/11.5/42；所述KCl和ZnCl2的混合物中KCl和ZnCl2的质量比为48/52；所述LiNO3和KNO3的混合物中LiNO3和KNO3的质量比为43/57。
4.根据权利要求1、2或3所述的废弃塑料碳化制备超级电容器用多孔碳的方法，其特征是：所述废弃塑料为烯烃类或芳香烃类。
5.根据权利要求1、2或3所述的废弃塑料碳化制备超级电容器用多孔碳的方法，其特征是：废弃塑料与熔融盐的质量比为1:1～1:10。
6.根据权利要求4所述的废弃塑料碳化制备超级电容器用多孔碳的方法，其特征是：废弃塑料与熔融盐的质量比为1:1～1:10。
7.根据权利要求1、2或3所述的废弃塑料碳化制备超级电容器用多孔碳的方法，其特征是：所述高温煅烧为真空或惰性气氛下煅烧10～180分钟，煅烧温度为600～1100℃。
8.根据权利要求4所述的废弃塑料碳化制备超级电容器用多孔碳的方法，其特征是：所述高温煅烧为真空或惰性气氛下煅烧10～180分钟，煅烧温度为600～1100℃。
9.根据权利要求5所述的废弃塑料碳化制备超级电容器用多孔碳的方法，其特征是：所述高温煅烧为真空或惰性气氛下煅烧10～180分钟，煅烧温度为600～1100℃。
10.根据权利要求6所述的废弃塑料碳化制备超级电容器用多孔碳的方法，其特征是：所述高温煅烧为真空或惰性气氛下煅烧10～180分钟，煅烧温度为600～1100℃。
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